兒童家具柔性制造的關(guān)鍵技術(shù)與實踐?

王承飛 朱姝蔓 黃瓊濤 熊先青 張圣清

隨著國民經(jīng)濟水平的快速提升，我國家具產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展壯大，兒童家具作為獨立的家具種類，僅用10年時間，就占據(jù)了整個家具市場9%～10%的比例[1]，發(fā)展相當迅速。

盡管已經(jīng)達到一定程度的市場規(guī)模，但兒童家具行業(yè)在總體上還是屬于低端市場[2]。近幾年，其發(fā)展進入瓶頸期，產(chǎn)品款式、功能單一，缺乏設計，質(zhì)量不達標，消費者很難買到適合的兒童家具，企業(yè)的生產(chǎn)成本也在逐漸增加。

基于此，筆者將柔性制造應用于兒童家具，通過其關(guān)鍵技術(shù)對國內(nèi)某企業(yè)兒童家具進行柔性制造實踐，解決生產(chǎn)中遇到的問題，對于相關(guān)企業(yè)實施柔性化生產(chǎn)具有一定的指導意義。

1 兒童家具柔性制造的必要性

1.1 兒童家具生產(chǎn)存在的問題

市場所售的兒童家具普遍存在設計、結(jié)構(gòu)不合理，質(zhì)量、精度不高的問題，其根本原因源自兒童家具與一般成人家具的差異性。由于兒童生理與心理的特殊性，兒童家具在外觀、結(jié)構(gòu)、功能、性能、周期等方面的要求都要高于一般成人家具，這給生產(chǎn)帶來巨大壓力，主要表現(xiàn)為：

1）異形零部件比例高。兒童家具造型多圓滑且復雜多變，這不僅是出于安全的考慮，對兒童的創(chuàng)造力與想象力成長也有一定幫助。

2）尺寸種類多樣。兒童的身體會在短期內(nèi)快速成長，造成了其對家具尺寸的需求遠高于一般成人家具。

3）精度、質(zhì)量要求高。國家相關(guān)標準[3]對倒角、孔隙、彈性、穩(wěn)定性等方面均有規(guī)定。

4）換代周期快。無論是外觀款式，還是家具尺寸，都會由于兒童心理與生理的快速變化而改變。

這些特點與相關(guān)規(guī)定對兒童家具提出了更高的要求，也增大了其設計研發(fā)與生產(chǎn)成本，多樣化的市場需求與快速的換代周期要求兒童家具企業(yè)必須具備快速響應市場的生產(chǎn)能力。

1.2 兒童家具柔性制造的必要性

兒童家具對于兒童成長具有重大意義，適宜的兒童家具對于其骨骼發(fā)育、智力培養(yǎng)有很大幫助。不少設計師專門針對兒童特點為其設計家具，但由于傳統(tǒng)流水線生產(chǎn)模式對于個性化產(chǎn)品的生產(chǎn)能力不足，導致高品質(zhì)兒童家具制造成本的增加，難以為一般家庭所消費。

在這種情況下，柔性化制造成為了兒童家具發(fā)展的一個有力武器，具體體現(xiàn)在：

1）提升車間在零部件的尺寸多樣化和異形加工方面的能力。通過柔性制造技術(shù)可以提升零部件的標準化程度，實現(xiàn)異形件、各種尺寸規(guī)格等復雜多變零件的加工[4]。

2）解決質(zhì)量與精度問題。依據(jù)工藝相似性建立生產(chǎn)模塊，有助于工人掌握加工技能，以此提升家具質(zhì)量與精度。

3）模塊化生產(chǎn)可節(jié)省加工準備與物流運轉(zhuǎn)時間，縮短生產(chǎn)周期。

4）生產(chǎn)計劃的靈活可調(diào)。柔性制造系統(tǒng)可以對動態(tài)環(huán)境進行分析，結(jié)合基本設施合理調(diào)配資源，優(yōu)化已經(jīng)生成的計劃表[5]，快速響應市場變化。

兒童家具在設計、生產(chǎn)、銷售各環(huán)節(jié)全方面發(fā)展[1]，但缺乏一個較完整的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作指導，導致設計、生產(chǎn)、銷售之間相互制約，信息不能快速有效傳遞，資源無法合理配置。

因此，對兒童家具進行柔性制造勢在必行，這不僅有助于企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，解決多樣化需求對生產(chǎn)造成的壓力，同時對于兒童的健康成長也具有相當重要的意義。

2 兒童家具柔性制造技術(shù)

2.1 概述

兒童家具的柔性制造基于柔性制造理論對兒童家具生命周期的各個環(huán)節(jié)進行管控，如圖1所示，柔性化設計，是從產(chǎn)品開發(fā)設計端開始，通過成組技術(shù)實現(xiàn)模塊化設計與零部件的標準化，建立工藝產(chǎn)品族與參數(shù)化的模型庫，形成通用件與異形件兩類；柔性化生產(chǎn)，是通過柔性計劃靈活安排生產(chǎn)，實現(xiàn)資源、組織、計劃與管理的柔性，依據(jù)加工相似原理建立生產(chǎn)模塊，設備則按區(qū)域式布局，同一模塊內(nèi)零件工藝相近、工序相同，從而減少換刀、設備調(diào)整與準備時間，將通用件與異形件按“推式”與“拉式”相結(jié)合的方式進行生產(chǎn)；整個生產(chǎn)過程通過信息化手段來監(jiān)管調(diào)控，其實質(zhì)就是將設計、計劃、生產(chǎn)及管理等各個環(huán)節(jié)銜接起來，實現(xiàn)精準的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化與高效的信息傳遞。圖中虛線部分為具體操作步驟。

圖1 兒童家具柔性制造總結(jié)構(gòu)Fig.1 General structure of children's furniture flexible manufacturing

各企業(yè)由于產(chǎn)品造型與工藝不同，具體方法有所區(qū)別。筆者以某企業(yè)為例對其進行柔性制造實踐，該企業(yè)兒童家具為美式臥房系列，主要包括床、柜、桌、椅四類家具，生產(chǎn)模式為傳統(tǒng)流水線式，適合大批量生產(chǎn)，當訂單中家具款式多、數(shù)量少時車間便面臨著頻繁的調(diào)機、換刀，物流運轉(zhuǎn)混亂，造成生產(chǎn)周期延長與成本增加。這種生產(chǎn)模式下的新產(chǎn)品開發(fā)周期較長，平均一年僅有四款新品的開發(fā)，客戶訂單主要為以往舊款，工人加工基本依靠經(jīng)驗，企業(yè)無法快速響應市場，基于此，從設計、生產(chǎn)、管理三方面對其提出柔性改造。

2.2 柔性設計

設計的柔性化是兒童家具柔性制造的基礎(chǔ)。多品種小批量的生產(chǎn)模式下的家具生產(chǎn)工藝應該靈活可更改，這就要求設計與生產(chǎn)之間的數(shù)據(jù)可以對接，即設計方案與生產(chǎn)BOM（物料清單）之間的快速轉(zhuǎn)換。

傳統(tǒng)方式為設計與生產(chǎn)人員進行溝通，時間慢、效率低，且易出錯。設計的柔性化強調(diào)在設計初期對零部件進行標準化，建立零部件工藝產(chǎn)品族，同時對兒童家具產(chǎn)品進行參數(shù)化模型庫的建立，隨著設計方案的積累，產(chǎn)品族與模型庫不斷擴充，不僅有助于設計人員針對兒童需求快速設計，同時企業(yè)可以根據(jù)設計方案迅速對生產(chǎn)工藝進行調(diào)整優(yōu)化。

2.2.1 關(guān)鍵技術(shù)

1）零部件工藝產(chǎn)品族

劃分工藝產(chǎn)品族的目的在于對兒童家具結(jié)構(gòu)進行模塊化[6]與標準化，提高零部件重復率，減少異形零部件過多而造成的生產(chǎn)壓力。要注意的是產(chǎn)品族應該包括通用零件與異形零件兩類，通用零件采取推動式生產(chǎn)，上工序無需為下工序負責，生產(chǎn)出產(chǎn)品后按照計劃把產(chǎn)品送達后工序即可，縮短生產(chǎn)時間，并形成一定庫存；異形零件采取拉動式生產(chǎn)，由下道工序向上道工序產(chǎn)生需求，實現(xiàn)異形零件的精益生產(chǎn)，即“推拉結(jié)合式生產(chǎn)”[7]。

圖2 兒童家具柔性設計程序Fig.2 Flexible design program of children's furniture

新產(chǎn)品開發(fā)設計程序，如圖2。模塊化設計：先由設計人員結(jié)合兒童的喜好、市場的熱點、流行趨勢等因素對兒童家具的主題進行設計, 形成抽象的產(chǎn)品形態(tài)；功能模塊設計:通過對用戶的生理與心理特征調(diào)研分析確定其功能訴求，根據(jù)功能確定單元模塊，形成具象的兒童家具形態(tài)；功能結(jié)構(gòu)設計:由生產(chǎn)人員提供技術(shù)支持，確定家具結(jié)構(gòu)與連接組合方式；工藝工序設計：通過成組技術(shù)對零部件尺寸、結(jié)構(gòu)、刀型進行標準化，去掉多余無用的零部件，通過分析加工工藝與工序，形成零部件的工藝產(chǎn)品族。圖中虛線部分為具體操作步驟。

2）零部件參數(shù)化模型庫

產(chǎn)品族建立后按各產(chǎn)品族的結(jié)構(gòu)與工藝特點對所有零部件進行編碼[8]，編碼包括產(chǎn)品系列、結(jié)構(gòu)特點、工藝工序、交貨期等信息，建立標準化體系，隨著設計方案的不斷積累，形成一個參數(shù)化的模型庫，如圖2。設計師在進行后續(xù)開發(fā)時可直接從模塊庫中調(diào)取成熟的模塊零件，其工藝數(shù)據(jù)也可通過模型庫自動生成。

2.2.2 實踐研究

對某企業(yè)兒童家具實行柔性化改造，先將床、床頭柜、桌、椅四類家具的零部件拆分開來，打破隸屬關(guān)系，依據(jù)上述產(chǎn)品族劃分關(guān)鍵技術(shù)，按照結(jié)構(gòu)與工藝相似性重新劃分產(chǎn)品族，主要可分為條塊、柱形、曲線、直線、抽屜、板料六類，如圖3。

圖3 兒童家具零部件產(chǎn)品族Fig.3 Product family of children's furniture parts

1）條塊類：一般無復雜結(jié)構(gòu)，外形為規(guī)整的長方體，加工流程較為簡單。主要包含：托條、支撐腳、封邊條、連接板、三角木、路軌條、加固條、橫檔等結(jié)構(gòu)部件。

2）柱形類：需經(jīng)過二次拼板，主要加工設備為木工車床。主要包含：車腳、床柱、桌/椅腿凳回轉(zhuǎn)形部件。

3）曲線類：整體形狀為彎曲線條，主要加工設備為帶鋸機、立銑機。主要包含：床頂線、面板、柜腳、椅腦、椅腳、坐墊板、桌面板、桌腿等。

4）直線類：整體形狀為直線條，一般用四面刨加工成型。主要包含：床/柜/桌/椅腳、墊條、腳方塊、立柱等。

5）抽屜類：抽屜部件的生產(chǎn)，主要加工設備為開料鋸、鋸銑機（開榫）。主要包含：抽屜，抽面/后/側(cè)/底板；鍵盤抽，鍵盤前/側(cè)橫、鍵盤底/面/側(cè)/后板等。

6）板料類：所有人造板零部件的備料加工。主要包含：床挺基板、肚板、貼條、面/側(cè)/底/背板、墊板等。

產(chǎn)品族內(nèi)零部件結(jié)構(gòu)相似，工藝流程基本相同，后續(xù)方案可在此基礎(chǔ)上向零部件的系列化、標準化延伸，有利于設計方案向生產(chǎn)BOM的轉(zhuǎn)換，大大縮短了設計研發(fā)周期，解決了家具隨兒童長大而更新?lián)Q代的問題，可適應不同兒童的個性化需求。

2.3 柔性生產(chǎn)

柔性化生產(chǎn)包括柔性生產(chǎn)計劃與柔性化機加工兩部分。前者指通過柔性思想來安排生產(chǎn)，體現(xiàn)在可根據(jù)訂單要求、產(chǎn)能及人力等情況采取各種方法靈活地調(diào)整生產(chǎn)計劃，以滿足市場需求的變化[9]。后者是前者實現(xiàn)的具體方法，主要包括模塊化生產(chǎn)、柔性布局及推拉結(jié)合式生產(chǎn)。

2.3.1 關(guān)鍵技術(shù)

1）柔性生產(chǎn)計劃

客戶下單后家具企業(yè)需要依據(jù)交貨期及企業(yè)資源做出相應的計劃，在具體實施過程中又會受物料供給、車間產(chǎn)能、交貨期改變等條件影響而進行調(diào)整，這便需要與計劃相關(guān)的所有環(huán)節(jié)都參與進來進行協(xié)調(diào)。而柔性生產(chǎn)計劃的目的則是通過柔性戰(zhàn)略思維，對企業(yè)的資源、組織、計劃以及管理環(huán)節(jié)進行柔性戰(zhàn)略部署，靈活運用企業(yè)各項資源以應對市場環(huán)境的快速變化。

圖4 柔性生產(chǎn)計劃結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of flexible production planning

如圖4，資源采購與分配上要靈活，在先進先出與先出先進之間做好協(xié)調(diào)；對各部門組織適當放權(quán)，提升管理能力與溝通效率；生產(chǎn)中出現(xiàn)問題可及時進行調(diào)控，協(xié)調(diào)好生產(chǎn)與計劃之間的關(guān)系。

2）柔性機加工

柔性機加工是柔性制造的核心，柔性生產(chǎn)計劃需要靠柔性機加工來實現(xiàn)?；玖鞒虨椋阂罁?jù)零部件工藝零件族建立相應的生產(chǎn)模塊，對各模塊的生產(chǎn)工藝進行設計，通過車間各工序的加工能力確定設備型號與數(shù)量，據(jù)此對模塊內(nèi)的設備進行布局，最后進行整體的布局與物流規(guī)劃[10]。

①生產(chǎn)模塊的建立

兒童家具相對于一般家具在工藝標準和質(zhì)量要求上更為嚴格，柔性化生產(chǎn)即根據(jù)工藝產(chǎn)品族中零部件的結(jié)構(gòu)與工藝相似性建立相對應的生產(chǎn)模塊，工人由于長期生產(chǎn)同一類結(jié)構(gòu)工藝相似的零部件，可熟練掌握該類部件的加工工藝與技巧，從而提升兒童家具的精度與質(zhì)量，且節(jié)省調(diào)機、換刀、換模的準備時間以及物流運轉(zhuǎn)時間。要注意的是生產(chǎn)模塊建立時要符合成組技術(shù)理念和要求，以提高生產(chǎn)效率為目的[11]。

②模塊內(nèi)的設備布局

設備布局方式有直線布局與區(qū)域布局[11]。直線布局在大批量的生產(chǎn)任務下效率更高，但不具備柔性，一旦工藝順序有所改變，整個布局都需重新規(guī)劃。區(qū)域布局更具穩(wěn)定性，當工序或任務改變時，區(qū)域內(nèi)部依然可在物流距離最短的條件下實現(xiàn)局部流水線生產(chǎn)，所以各模塊設備一般采用區(qū)域式布局。

③推拉結(jié)合式生產(chǎn)

在制定生產(chǎn)方案之初先將兒童家具零部件產(chǎn)品族分為標準化通用件和多樣化異形零部件兩類。對于通用件采取“推動式生產(chǎn)”[7]，根據(jù)預測提前生產(chǎn)，并做一定的安全庫存，實現(xiàn)批量化生產(chǎn)的規(guī)模效益，降低成本；對于異形零部件則采取“拉動式生產(chǎn)”，由下道工序向上道工序產(chǎn)生需求拉動生產(chǎn)，來縮短其生產(chǎn)周期，從而縮短個性化兒童家具的交貨期?；诹悴考ㄓ眉呐啃院彤愋渭亩鄻有裕瑢ⅰ巴啤焙汀袄毕嘟Y(jié)合，解決批量化生產(chǎn)與個性化需求之間的矛盾。

2.3.2 實踐研究

依據(jù)加工相似性，在2.2產(chǎn)品族基礎(chǔ)上依據(jù)上述關(guān)鍵技術(shù)對族內(nèi)工藝流程與所需設備進行規(guī)劃設計，建立生產(chǎn)模塊，如表1。

所有零部件均要經(jīng)過備料，故在產(chǎn)品族的基礎(chǔ)上增加實木與板料備料模塊。上述各模塊內(nèi)的零部件結(jié)構(gòu)相似，工藝相同，對模塊內(nèi)設備進行區(qū)域式布局，采用推拉結(jié)合式生產(chǎn)，可實現(xiàn)模塊內(nèi)的批量化生產(chǎn)，當生產(chǎn)任務改變時，可靈活啟用生產(chǎn)模塊以實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)。

表1 生產(chǎn)模塊工藝表Tab.1 Working procedure of production module

2.4 信息化管理

信息化管理是兒童家具柔性制造的有力保障，計劃的靈活調(diào)節(jié)必須要建立在對有效信息的準確分析與判斷上，因此要對生產(chǎn)進行實時的過程監(jiān)控與高效的信息傳遞。一般生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息化管理結(jié)構(gòu)為：

1）生產(chǎn)信息的傳遞：包括生產(chǎn)任務與工藝信息，生產(chǎn)任務由計劃部與生產(chǎn)部根據(jù)交貨期、物料到位情況以及車間生產(chǎn)能力制定；工藝信息由工藝部、設計部與生產(chǎn)部根據(jù)產(chǎn)品方案與車間設備制定工藝文件與物料定額，包括CAD圖紙、物料定額、工藝流程、機床CAM加工工藝方案、技術(shù)與設備參數(shù)、操作方法及驗收標準等。

2）信息的儲存與讀取：工人在生產(chǎn)時需要對工藝信息進行儲存與讀取以指導生產(chǎn)，可通過紙質(zhì)文件、樣品模板以及數(shù)字終端等方式實現(xiàn)。

3）車間數(shù)據(jù)的實時采集[12]：包括生產(chǎn)進度、設備型號、運行速度、運行時間、運行效率、操作人員等工藝技術(shù)參數(shù)的采集及傳遞。

4）生產(chǎn)調(diào)控：生產(chǎn)部與計劃部結(jié)合市場訂單需求及車間采集的信息對生產(chǎn)進行分析處理，包括訂單數(shù)量增減、工藝更改、優(yōu)先排產(chǎn)、交貨期的提前與推遲等指令的下達。

5）車間的信息反饋：包括LED顯示屏以顯示生產(chǎn)計劃、進度及變更通知等信息，移動終端以傳遞圖片信息與語音命令，傳真、打印機等設備形成紙質(zhì)文件。

通過生產(chǎn)管理的信息化，可以實現(xiàn)對于生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控與調(diào)整優(yōu)化，通過對其信息的分析與判斷，生產(chǎn)計劃才能靈活指揮機加工，從而實現(xiàn)柔性制造。

3 結(jié)語

隨著信息技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的不斷融合，我國制造行業(yè)正面臨前所未有的風險與機遇。在這種趨勢下將柔性制造技術(shù)應用于兒童家具行業(yè)，通過柔性設計、柔性生產(chǎn)以及信息化管理手段來提升兒童家具制造水平，有助于其滿足多樣化市場需求，降低生產(chǎn)成本與周期，提高質(zhì)量，對于企業(yè)轉(zhuǎn)型升級、兒童健康成長都有著極為重要的意義。

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